Ist die Verkabelung das Ei des Kolumbus?

Alessandro Magri Ing. ETH Nexans Suisse SA Projektleiter Hochspannungskabelanlagen [email protected]

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Agenda

Traktanden 1. Einleitung 2. Aktuelle Technik 3. Beispiele in der Schweiz 4. Thermische Dimensionierung 5. Internationale Beispiele

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Einleitung Was ist ein Kabel

Eine Stromleitung besteht aus einem Leiter und einer Isolierung Freileitung

Isolationsmedium

Isolationsmedium: LUFT (Gas)

Kabel

Isolationsmedium: XLPE (Feststoff)

3 cm Isolationsdicke bei 380 kV 3 m Isolationsabstand bei 380 kV (E-Feld definiert ) (E-Feld undefiniert ) Thermisches Verhalten Die entstehende Wärme wird direkt an die Umgebung (Luft) abgegeben. Der Leiter kann bei sehr hoher Temperatur betrieben werden.

Die entstehende Wärme muss mehrere Schichten durchdringen. Kunstoffisolierte Kabel können bei höchstens 90° C Leitertemperatur betrieben werden. ElCom-Forum ETG-Fachtagung

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Einleitung Kabelgeschichte

u

1892

Erstes 3 kV Netz in Paris

u

1918

Erstes 66 kV Masskabel für SBB

u

1928

Erstes 132 kV Ölkabel für SBB

u

1948

Erste 18-kV-PE-Kabel

u

1959

Typenprüfung 420-kV-Ölkabel

u

1970

Erste XLPE-Niederspannungskabel

u

1990

Typenprüfung 420-kV-XLPE-Kabel

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Aktuelle Technik Produktportfolio

Verschiedene Kabelkonstruktionen sind verfügbar.

Kabel und Zubehör bis 550 kV und 2500 mm2 sind „aus dem Regal“ verfügbar. PD connection cabinet

PD Sensor

HDPE protection

EPDM premoulded body

Filling jelly

Metallic screen interruption

Coaxial bonding lead

Copper shield

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Aktuelle Technik Isolierte Leiterdrähte

Isolierte Leiterdrähte erlauben eine Reduktion des „Skin (Haut) und Proximity (Nähe) Effekt“. Normalleiter

Rund, verseilt & Verdichtet GAIN IN CURRENT CARRYING CAPACITY WITH ENAMELLED CONDUCTOR FROM BASE 100

H

Segmentleiter

Iind

C

jAC

I

130 125

jD

Technologie von isolierten Leiterdrähten ist vorhanden und erprobt: •Die Thermische Belastbarkeit ist 12 -20% grösser als bei herkömmlicher Konstruktion. •Bei gleichem Querschnitt sind die Verluste deutlich kleiner

Standard Milliken conductor Enamelled Milliken conductor

120 115 110 105 100 95 1600 mm²

2000 mm²

2500 mm²

CONDUCTOR CROSS-SECTION

3000 mm²

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Aktuelle Technik Verlegetechnik

Beispiel: Wasserstoss Verlegetechnik Stossen

1620° kumulierte Richtungsänderungen auf 976 Meter !

NS-, oder HS-KABEL HVMScable Stossen WasserEinführung

Schwimmen

Schwimmen

Rohr mit Gleitmittel

Schwimmen Zugkraft WATUCAB

600 daN

Gewinde

6’100 daN

Schwimmen

Stosskraft 700 daN 0

Ziehen

NS-, MS- oder HS-KABEL Quelle: Plumettaz

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Beispiel CH Peccia – Bavona 220 kV

220 kV, 500mm2 XLPE Kabel. Trasselänge ca. 6 km

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Beispiel AET: Kabelverbindung 380kV Einführung

Beispiel einer 380-kV-Kabelverbindung AET: Mendrisio Cagno 380 kV

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Beispiel AET: Kabelverbindung 380kV Übersicht

Ausgangslage: •Versorgungssicherheit für die Region südlich vom Monte Ceneri verbessern •Grenzüberschreitende Verbindung zwischen der Schweiz und Italien, die als «Merchant line» betrieben werden kann.

Quelle: AET

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Beispiel AET: Kabelverbindung 380kV Technische Karakteristik

Kabeltyp: XAluWT T-Sc 1x630 mm2 Cu rm 380 kV -Isolationsdicke 26 mm -Gesamtdurchmesser 124 mm -Gewicht ca. 17 Kg/m

Übertragungsleistung Kabelanlage: 560 MVA

Gesamtlänge: 9.1 km (4.7 Km CH; 4.4 Km IT) 14 Muffenkammern 45 Einzellängen (zwischen 570 m und 700 m ) 42 Muffen; 3 GIS EV; 3 FL EV Rohrblock für 6 Kabel und 4 LWL-Rohre Muffenkammergrösse: 13x2x2 m ElCom-Forum ETG-Fachtagung

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Beispiel AET: Kabelverbindung 380 kV Geographische Lage

CH

I

Quelle: AET

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Beispiel AET: Kabelverbindung 380kV Linienschema

Die Kabelanlage ist in 3 Crossbonding-Abschnitte geteilt. Zwischen jedem Crossbongingsystem sind die Kabelschirme starr geerdet.

X

X

X

1° CB System

X

2° CB System

X

X 3° CB System

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Beispiel AET: Kabelverbindung 380 kV Kabelprüfung

Die Hochspannungsprüfung wurde mit TE-Messungen durchgeführt. Für diesen Zweck wurden in jeder Muffe Sensoren eingebaut.

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Beispiel AET: Kabelverbindung 380kV Meilensteine

Meilensteine des Projektes: 2002 2003 2005 2005 10.2006 01.2007 12.2007

Absichterklärung zwischen AET und FNM Vereinbarung zwischen schweizerischen und italienischen Behörden Baubewilligung Beginn der Bauarbeiten Bestellung beim Kabellieferant Beginn der Montage Hochspannungsprüfung der Kabel

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Traktanden 1. Einleitung 2. Aktuelle Technik 3. Beispiele in der Schweiz 4. Thermische Dimensionierung 5. Internationale Beispiele

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Beispiel AET: Kabelverbindung 380kV Thermische Dimensionierung

500 MVA

2000 MVA

Die thermische Dimensionierung ist ein massgebender Faktor für die Kosten einer neuen Kabelleitung ElCom-Forum ETG-Fachtagung

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Beispiel AET: Kabelverbindung 380kV Thermische Dimensionierung

Die Grundlagen für die thermische Berechnung sind normiert (z. B. IEC 60287).

Bsp: -380 kV Kabel -Im Dreieck angeordnet -In Erde verlegt (1.1m Tiefe) -Kabelschirme ausgekreuzt -90°C Leitertemperatur -20°C Bodentemperatur - 1 Km/W

Die angefragten Stromwerte für das Schweizerische Übertragungsnetz erfordern oft eine Verdoppelung des Kabelsystems ElCom-Forum ETG-Fachtagung

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Beispiel AET: Kabelverbindung 380kV Thermische Dimensionierung

Die Strombelastung der Kabelverbindung Mendrisio-Cagno liegt fast immer unterhalb von 50 % der Kabelnennleistung. POTENZA ATTIVA  [MW]

CORRENTE  ISTANTANEA  [A]

400.00

350.00

Strom (A)

300.00

250

250.00

200.00

Leistung (MW) 150.00

100.00

50.00

1 Woche

0.00 07.10.2010 00:00

08.10.2010 00:00

09.10.2010 00:00

10.10.2010 00:00

11.10.2010 00:00

Tempo

12.10.2010 00:00

13.10.2010 00:00

14.10.2010 00:00

15.10.2010 00:00

Wie hoch sind die Überlastungsmöglichkeiten in einem solchen Fall? Quelle: AET

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Beispiel AET: Kabelverbindung 380kV Thermische Dimensionierung

Freileitungen erreichen ihren thermischen Endzustand bereits innerhalb von einigen Minuten. Kabelleitungen benötigen dagegen Stunden oder Tage und sind deswegen deutlich mehr überlastbar als Freileitungen. Thermische Simulation (Nennlast der Leitung: 520 MVA): Anfganszustand:

Mit Überlast

Erreichung der max. Leitertemperatur (90°C)

175 MVA

1000 MVA

> 3 Std

175 MVA

750 MVA

> 15 Std

400 MVA

750 MVA

> 12 Std

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Real TimeThermal Rating Thermische Dimensionierung

Welche Informationen stehen heute der Leitstelle zur Verfügung?

? !

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Real TimeThermal Rating Thermische Dimensionierung

Messung der echten Kabeltemperatur Mögliche Sensorpositionierung (LWL)

Das System erlaubt: 1)Die echte Leitertemperatur zu kennen. 2)Eine Prognose des Überlastvermögens vom Kabels.

Quelle: LIOS Technology Gmbh 2010

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Real TimeThermal Rating Thermische Dimensionierung PC / Visualisation Concrete Duct Bank, 5500 m With 3 x 154 kV XLPE HV cable

PC / Visualisation and Real Time Thermal Rating (RTTR)

Temperature and event data of multiple OTS controllers in proprietary protocol

LIOS OTS60P / 3 channel

3 x 5500 m fibre optic sensor cable Single end setup

LAN/ WAN

Point type measurement data like electrical current (storage in data base, visualisation and input for RTTR

Temperature and event data of multiple OTS controllers in industrial standard protocols like MODBUS, DNP3 or IEC60870

Quelle: LIOS Technology Gmbh 2010

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SCADA / Overall Management System of Utility

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Real TimeThermal Rating Thermische Dimensionierung

Berechnung der Leitertemperatur in transientem Zustand

Quelle: LIOS Technology Gmbh 2010

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Kabel und Freileitung Teilverkabelung

Bei längeren oder stärkeren Verbindungen ist der Bau einer Kabelanlage nur in seltenen Fällen wirtschaftlich realisierbar

In Fällen wo eine Freileitungsverbingung inakzektabel ist (z.B. in Wohngebieten), sind Kabel die beste Lösung.

Die Kombination von Freilleitung und Kabel, eine sogenannte «Teilverkabelung» , kann in vielen Fällen die beste Lösung darstellen. ElCom-Forum ETG-Fachtagung

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Beispiel TenneT Beispiel einerTeilverkabelung

Studienbeispiel: 22 km lange Verbindung 380 kV Randstad Zuidring Kabelanteil bei Teilverkabelung: minimum 2 km, resp. maximum 17 km . Tatsächlich praktizierbare Länge 4,8 km

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Beispiel TenneT Teilverkabelung

Kraftwerk

Bestehende Freileitung

Kostenvergleich mit 40 Jahren Betrieb Material-Kosten ÜbertragungsVerluste GESAMTKOSTEN

Schaltfeld

5 km XLPE-Erdkabel

Schaltfeld

17 km neuer Freileitung

Unterwerk

Neue Gesetzgebung

Nur Kabel 22 km

Nur OHL 22 km

Teilweise 17km + 5km

242 M€

51 M€

94 M€

Erdkabellösung.

23 M€

60 M€

52 M€

Beschleunigung des Bewilligungs-

265 M€

111 M€

146 M€

Verfahrens für die dicht bewohnten

Preiswertere Lösung als eine volle

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Internationale Beispiele SHIBO, Shangai 500 kv Kabelsystem z One circuit (17km long) in a tunnel z Total cable length : 51 km (81 drums) z 78 joints z 6 GIS terminations z Cable system design, type test Kabeltyp z z z z z z z z z

Current carrying capacity: 1800 A Max ambient temp. 40°C Short-circuit current: 63 kA for 2 sec. BIL: 1550 kV but test level is 1675 kV 2500 mm² Copper Milliken, 6 segments 30.4 mm (1197 mils) XLPE insulation Smooth Aluminum Sheath thickness 2.2 mm Outer diameter: 152 mm Weight: 39.6 kg/m

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Internationale Beispiele Qatar 400 kV

QATAR PHASE VII „ 230/400(420) kV „ Turnkey underground project included in State Grid „ Design - Engineering - Civil Works - Cable laying and jointing AC tests „ 90 km of XLPE cable 2500 mm² Cu „ Rated capacity : 800 MVA „ Customer: KAHRAMAA „ Location : Doha „ Contract value : 97 M€ „ Duration : 2006/ 2009

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Internationale Beispiele Abu Dhabi 400 kV

400 kV Interconnection of Abu Dhabi island „ 230/400 (420) kV „ Large turnkey underground project „ Engineering - type tests and long term tests - Civil works „ 37.5 km of XLPE cable 2500 m² Cu enamelled „ Rated power carrying capacity : 1 000 MVA „ Customer : Abu Dhabi Water Authority and Electricity „ Location : Abu Dhabi city „ Contract value : 33.5 M€ „ Duration : from 2004 to 2006

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Zusammenfassung

•

XLPE-Kabel ist eine moderne, zuverlässige, bewährte und umweltfreundliche Energieübertragungs-Technologie.

•

Die thermische Trägheit von Kabeln ist deutlich größer als diejenige von Freileitungen. Die Dimensionierung einer Kabelleitung mit Lastfaktor (LF) = 1 macht daher wenig Sinn.

•

Das Beispiel der 380-kV-Verbindung Mendrisio-Cagno zeigt, dass solche Anlagen auch in der Schweiz innert kürzester Zeit realisiert werden können.

•

Internationale Beispiele zeigen auf, dass man problemlos Leistungsfähige Leitungen (1 GVA), über mehrere Km verkabeln kann.

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Ende

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